JP2557339B2

JP2557339B2 - 光受信回路の電流・電圧変換部

Info

Publication number: JP2557339B2
Application number: JP59163331A
Authority: JP
Inventors: 孝典沢井; 祥延小林
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1984-08-01
Filing date: 1984-08-01
Publication date: 1996-11-27
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: JPS6141213A

Description

【発明の詳細な説明】（ア）技術分野この発明は、光受信回路の電流・電圧変換部に関す
る。

光通信システムに於て、各端末には、光送信回路と、
光受信回路とが必要である。通信すべき、端末の光送信
回路と光受信回路とは光フアイバによつて結合される。

光受信回路は、光フアイバの中を伝わつてきた光信号
を、電気信号に変換する受光素子を備えている。受光素
子は、pinホトダイオードPDや、アバランシエホトダイ
オードAPDなどが用いられる。

受光素子は、光入射に比例した光電流を発生するの
で、これを電圧に変換する。この部分を、電流・電圧変
換部という。

電圧信号になつたものを適当に差動増幅し、これをあ
る閾値と比較して、二値化する。閾値は、固定の一定値
である事もあるが、これであると、入射光の強度が一定
以上でなければならない。光フアイバの長さ、発光素子
の性能、受光素子の性能によつて、Ｈレベルに対応する
電圧が変動するから、閾値は、入力電圧信号の平均値に
する事も多い。

二値化した信号は、きれいなＨとＬの電圧のみからな
るパルス信号である。これを、適当な電圧にして、出力
する。

これが光受信回路の概略の構成である。この他にタイ
ミングを与える回路を含むものもある。

受光素子は、多くの場合、ホトダイオードとPDを用い
る。

ホトダイオードは、適当な電圧をカソード・アノード
間に印加し、逆バイアスして使う。逆バイアスの電圧
は、低い電圧でよく、別個の高圧電源などを必要としな
い。ホトダイオードPDは、アバランシエホトダイオード
APDなどに比して感度が悪いので、増幅する必要があ
る。

光フアイバを伝搬し、ホトダイオードに入射した光の
強度に比例して、微弱な電流がカソードからアノードに
向つて流れるが、この電流Ipを増幅して電圧信号にす
る。

（イ）従来技術とその問題点第４図は、電流・電圧変換部の従来例にかかる回路を
示している。

アノードが接地されたホトダイオードPDのカソードが
増幅器22の入力に接続される。増幅器22の出力Voは帰還
抵抗23により、入力に接続される。

増幅器22は、入力電圧を比例増幅して、出力に与える
ものである。オペアンプで構成することもできる。この
場合、ホトダイオードPDのカソード、抵抗23が接続され
る入力は非反転（＋）入力である。反転入力（−）は、
適当な電圧を与えておく。この電圧Vbが逆バイアス電圧
となる。

ホトダイオードPDに光電流Ipが流れると、帰還抵抗
に、これが流れるので出力Voは、 Vo＝RfIp＋（定数）（１）となる。Rfは抵抗23の値である。これは、リニアな増幅
系である。

入射光量は、光フアイバの長さや単位長さあたりの伝
送損失、敷設の状態、発光素子、受光素子と、光フアイ
バの結合状態などによつて、さまざまである事が多い。
Ｈレベルの光強度が著しくばらついていても、正しく受
信できる、という事が望ましいわけである。

つまり、受信系としてのダイナミツクレンジが広くな
ければならない。

微弱な入射光をも検出できるために、Rfの値を大きく
すると、逆に入射光量が大きい場合に、出力が飽和して
しまう。飽和・非飽和の二状態の間を、増幅器出力が変
化するから、応答速度が遅くなる。

さらに、光信号はデジタル信号であるから、ＨとＬレ
ベルしかないはずであるが、実際には立上り、立下りの
期間があり、強い光信号の場合は速く立上る。逆に立下
りは遅い。もしも、固定した閾値と増幅した電圧とを比
較するとすれば、光強度によつて、Ｈレベルである時間
が相異してくる。つまり、パルスが歪んでしまう。

結局、リニアな増幅率がうまく機能するためには、入
射光量の範囲が限られる、という事になる。つまり、ダ
イナミツクレンジが狭いのである。

第５図は従来の光受信機の電流・電圧変換部の他の例
を示している。帰還用の抵抗23に対して、並列に、ダイ
オード24を出力、入力間に接続したものである。

ダイオードのアノードが出力に、カソードが入力に接
続してある。光量が少ない時は、Ipも小さく、抵抗23に
流れる電流も少ない。ダイオードは、約0.6V以上の電圧
が加わると急に電流が増大する。Ipが増えて、出力電圧
Voが増加するが、これはダイオードの作用で、入力電圧
より、約0.6V以上には殆んど上昇しない。対数函数的な
増幅器となる。入射光量が微弱な時は、ダイオードが働
かないので、リニアな増幅をする。入射光量が大きくな
ると、対数的になる。

こうして、増幅器の飽和を抑えることができる。ま
た、固定閾値と比較する場合、光の強度によつて、“H"
パルスの時間が変動する、という現象を或る程度抑制す
る事ができる。

しかし、ダイオードによつて出力電圧の上昇を抑え
る、という回路は、応答速度が遅い、という難点があ
る。ダイオードの逆回復時間、つまりオンからオフへの
変化に要する時間が長いのである。

ダイオード特性は、pn接合によつてもたらされる。ｎ
型領域を高電圧にすると、電子は、電極側に引き寄せら
れ、正孔は反対側のアノード電極側に引き寄せられる。
pn接合の近傍は、電子、正孔ともに数が減少する。ｎ型
領域で電子の数が減り、ｐ型領域で正孔の数が減少す
る。pn接合の電圧は与えられた電圧に応じて増加してゆ
く。つまり逆方向電圧が増加すると、pn接合近傍のキヤ
リア密度は減少してゆく。空乏層が増加してゆく、とい
う事もできる。

順方向の場合は、これとは逆で、ｎ型領域（カソー
ド）が低電圧に、ｐ型領域（アノード）が高電圧にな
る。電子はpn接合を超えてｐ型領域に入り、ここで正孔
と再結合する。空乏層が消えてしまう、という事にな
る。このようなダイオードは、従つて、オンからオフに
変化する時、pn接合の近傍にあつた電子がカソード側
へ、正孔がアノード側へ移動する事になる。この移動が
行われている間、pn接合部の電圧は、ゆつくりと増加す
る。このため、オンからオフへの変化が遅れる事にな
る。

このような動作時間の遅れは、pn接合を用いるダイオ
ードにあつては不可避の現象である。

同じことはオフからオンへの変化についても言える。
オフ時は、pn接合の接合部電圧が逆方向に高く、空乏層
が拡がつている。オンになるためには、電子、正孔の分
布がpn接合の近傍まで延びてくる必要がある。接合の近
傍まで、電子、正孔が移動するためには、時間がかかる
ので、動作時間が長くなるのである。

（ウ）発明の構成ダイナミツクレンジが広く、動作速度の速い、電流・
電圧変換部を与えるのが本発明の目的である。

ダイナミツクレンジが広いというのは、光強度が大き
くなつても、出力電圧が飽和せず、従つて、“H"パルス
の時間的な変化が少なく、忠実に、“H"、“L"のパルス
波形を再現できる、という事である。

オンからオフ、オフからオンの回復時間、逆回復時間
の遅れは、pn接合部の電圧分布が、キヤリアの分布の変
化によつて決定される、という事に由来する。

本発明は、そこで、MOSFETを使つて、出力電圧を入力
に帰還することにした。

MOSFETは、ゲートの数によつてシングルゲート、デユ
アルゲートの２種類がある。加えるべきゲート電圧の範
囲によつてエンハンスメント型と、デイプリーション型
とがある。また多数キヤリヤが伝導の主体となるが、キ
ヤリヤの種類によつて、ｎチヤンネル形とｐチヤンネル
形がある。

エンハンスメント型の場合、ゲート電圧は、ソース電
圧よりも高くする。ゲート電圧によつて、ドレイン電流
が制御される。MOSFETの場合、pn接合がないので、pn接
合の近傍に空乏層が生じたり、pn接合の近傍に電子、正
孔がドリフトしてきたりということによるpn接合電圧の
変動が起らない。

ゲート・ソース電圧のことを単にゲート電圧と略記す
るが、ゲート電圧と、ドレイン・ソース間電圧によつ
て、FETのドレイン電流が決定される。ドレイン・ソー
ス間電圧が十分大きい時、ドレイン電流は、ゲート電圧
だけによつて決まり、ドレイン・ソース間電圧によらな
い。

ゲート電圧が低い時、ドレイン電流は０なのではな
く、ドレイン・ソース間電圧に比例する。つまり、ドレ
イン・ソースは単なる抵抗のような電流・電圧特性を示
す。ここが重要な点である。

つまり、ゲート電圧が低い時、ドレイン・ソース間電
圧が小さくとも、ドレイン電流は流れる。

MOSFETの特性は、横軸にドレイン・ソース間電圧を取
り、縦軸にドレイン電流を取つて、ゲート・ソース間電
圧をパラメータとして表わされることが多い。これらの
曲線族は、原点から立上る斜線で始まり、途中で勾配を
ゆるやかなものに変え、以後ほぼ水平に近い直線とな
る。エンハンスメント型の場合、この特性曲線で、ドレ
イン・ソース間電圧と、パラメータとしてのゲート・ソ
ース間電圧の等しい点が１本の曲線について必ず１点あ
る。このような点をつないでゆくと、第３図のような曲
線となる。

横軸は、ゲート・ソース間電圧V_GSである。縦軸はド
レイン電流である。ゲート・ソース間電圧は、ドレイン
・ソース間電圧に等しくなつている。ゲート・ドレイン
間電圧が０である、という事である。これは、ドレイン
とゲートを短絡させたものに他ならない。

これは、ゲート・ソース間電圧が大きい時に、増加率
の大きい函数である。この点で、pn接合のＶ−Ｉ曲線に
少し似ている。

しかしながら、ダイオードのＶ−Ｉ曲線と異なる点も
ある。V_GSが０の近傍で、曲線の勾配が０でない。正の
一定値である。有限の抵抗値を持つている、ということ
である。pn接合のＶ＝０近傍の電圧・電流特性と異な
る。

他方、V_GSが大きい領域でも、pn接合の順方向電流の
ように、0.6Vあたりで無限大になる、というようなもの
ではない。勾配は、有限のままである。

V_GSに対するI_Dの関係は、ダイオードのＶ−Ｉ曲線に
比べてよりリニアに近い。ドレイン・ソース間が作用に
於て、抵抗に近い、ということである。pn接合のよう
に、オンからオフ、オフからオンという非連続的な変化
をしない、という事である。

従つて、ゲート・ソース間電圧V_GSが変化しても、電
荷の蓄積などの変化が起らず、ドレイン電流I_DはV_GSの
変化に遅れず、追随できる。

本発明は、ダイオードのかわりに、ドレイン・ゲート
を短絡したMOSFETを用い、これによつて、対数に近似す
る特性を得る。

第１図は本発明の光受信回路の電流・電圧変換部の回
路図である。

ホトダイオード１は、光フアイバの中を伝搬してきた
光を受光し、光強度に応じた光電流Ipを生ずるものであ
る。アノードは接地され、カソードは、増幅器２の入力
端に接続される。増幅器２の出力と入力とは、帰還抵抗
３によつてつながれている。

さらに、増幅器２の出力と入力とは、MOSFET4によつ
て接続されている。ｎチヤンネルMOSFETでエンハンスメ
ント型である。ドレインが増幅器２の出力へ、ソースが
入力へ接続してある。ゲートはドレインと同じく、出力
に接続してある。

ゲート・ソースが接続されたエンハンスメント型MOSF
ETであるから、第３図のような電圧・電流特性を持つて
いる。

入射光強度が０の時、光電流Ipは０である。この時の
出力電圧Vooが基準値になる。

入射光強度が大きくなると、Ipも大きくなる。この時
の出力電圧VoとVooの差Ｕが問題である。出力信号がＵ
になる。

Ｕ＝Vo-Voo （２）帰還抵抗Rrは、RfだけではなくMOSFETの抵抗Rgによつ
ても決定される。Rgは第３図のV_GS・I_D曲線の一点と原
点を結ぶ直線の傾きの逆数である。

Ipが大きくなると、Ｕが大きくなる。

Ｕ＝RrIp （４）だからである。Ｕが大きくなるということは、MOSFET4
のゲート・ソース電圧V_GSが大きいということであるか
ら、第３図より、Rgが徐々に減少する。従つて、Rrも減
少し、Ipの増加に比較して、Ｕの増加が少なくなる。

こうして、光の強度が大きい時にも、出力が飽和して
しまうという事がなく、ダイナミツクレンジの広い電流
・電圧変換が可能になる。

第２図は、本発明の他の回路例を示す。

MOSFET4のゲートが直接ドレインに接続されるのでは
なく、抵抗８を介してドレインにつながつている。また
ゲートは、コンデンサ９を介して接地される。

抵抗８、コンデンサ９は、増幅器２の出力を遅延させ
て、MOSFET4のゲートに伝える。

光信号がＬ、Ｈで現わされたとする。Ｌの時、出力Ｕ
＝０である。この状態がコンデンサ９、抵抗８の時定数
τ以上に持続していたとすると、MOSFET4のゲート・ソ
ースに短絡しているのと同様である。ゲート電圧は、バ
イアス電圧Vb（＝Voo）に等しい。

光信号がＬからＨに変化したとする。MOSFETのゲート
電圧は、τの間は、Vbのままである。つまりゲート・ソ
ース電圧V_GSが０であるのに、ドレインソース電圧V_DSが
加わつたということになる。この時、この抵抗Rgは高い
抵抗値となる。すると帰還抵抗はRfだけとなり、高い増
幅率が得られる。変化の後、τ以上経過すると、Rgが低
い抵抗になり、帰還抵抗が低下するから、増幅率は低下
する。

逆に光信号がＨからＬに変化したとする。τ以内で、
MOSFETのゲート電圧は高いままである。ゲート電圧の方
がドレイン電圧より高くなり、MOSFETの抵抗Rgは著しく
小さくなる。このため増幅率は異常に低い値となる。τ
時間を経た後、増幅率は通常の値に回復する。

つまり、MOSFET4につながれた抵抗８、コンデンサ９
は、出力の変化を微分する作用があり、出力変化を強調
する、という事ができる。

第１図、第２図の例は、いずれもｎチヤンネルエンハ
ンスメント型MOSFETを用いている。これは正電圧を与え
る電源を使用し、増幅器の接続も正電源用になされてお
り、ホトダイオードはアノードが接地されているからで
ある。

負電圧を与える電源を使用し、ホトダイオードはカソ
ードを接地し、増幅器も−Vccと０の間で駆動すること
とすれば、ｐチヤンネルMOSFETを使用することになる。

（エ）効果（１）単に、抵抗で増幅器の入力・出力を結合したもの
より、ダイナミツクレンジを大きくとることができる。

MOSFETのドレイン・ゲートを接続し、電圧、電流特性
が第３図に示すようにしている。電流が増加しても、電
圧があまり増大しないようになつている。

（２）MOSFETは多数キヤリアの電子によつて、電流が流
されており、pn接合のまわりに電荷が蓄積されたり拡散
したりという動きがなく、応答速度が低下しないのであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光受信回路の電流・電圧変換部の回路
図。第２図は本発明の光受信回路の電流・電圧変換部の他の
例を示す回路図。第３図はエンハンスメント型MOSFETのドレイン・ゲート
を接続した時の、ゲート・ソース電圧V_GSとドレイン電
流I_Dとの関係を示すグラフ。第４図は従来例に係る光受信回路の電流・電圧変換部の
回路図。第５図は他の従来例に係る光受信回路の電流・電圧変換
部の回路図。１……ホトダイオード２……増幅器３……抵抗４……MOSFET ８……抵抗９……コンデンサ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の極が接地されているホトダイオード
１と、ホトダイオード１を逆バイアスするようホトダイ
オードの他の極が入力に接続される増幅器２と、増幅器
２の出力と入力とを接続する抵抗３と、ドレインとゲー
トを短絡したエンハンスメント型MOSFET4とよりなり、M
OSFET4のソースを増幅器の入力に、他方を増幅器の出力
に接続した事を特徴とする光受信回路の電流・電圧変換
部。
【請求項２】光受信回路のMOSFET4のドレインとゲート
の間に抵抗を挿入しゲートをコンデンサによって接地す
る遅延回路を設けた事を特徴とする特許請求の範囲第１
項に記載の光受信回路の電流・電圧変換部。